PLOS Biology

はじめに

人間の生殖に関する謎の多くは、体の臓器の奥深くに埋もれています。 例えば、精巣の中で高度に特殊化した精子細胞がどのように形成されるかがそうである。 各細胞は、そのしっかりと包まれたDNAパッケージを、待ち構えている卵子に効率よく届けるために、流線型で運動性の高いものになる。 精子の形成と機能は生殖能力にとって非常に重要であり、精子の量、質、運動性の欠陥は不妊症の50％、男性の7％に及ぶと言われている。 しかし、精子の発生と機能に関する基本的な理解は不十分であり、不妊の原因となる問題がどのように発生するかについての知識は乏しい。

精子の形成は、精巣のさまざまな領域で慎重に段階的に行われる。 ヒトの精子はまず精細管で形成され、そこでDNAが分割された後、しっかりと圧縮され、不要な細胞成分が排除され、細胞が分化する。 これらの変化により、長い鞭毛を持つ、コンパクトで保護されたパッケージが形成される（図1A）。 しかし、この精子は動くことも受精することもできない。 これらの能力は、外部から受け取ったシグナルを細胞内に伝達することで獲得する。このとき、精子のDNAは強固に圧縮されているため、転写が停止している。 精子が「成熟」している間は、精巣上体という、伸ばせば数メートルの長さになるコイル状の管のネットワークを通過することで、運動が可能になる（図1A）。 精子は、この精管内で、成熟シグナルを含む液体を浴びながら、雌に精子を送り届ける準備をする。 精子は、受胎可能な状態になるために重要な受容体を露出させ、運動性を高めることによって、受精能獲得と呼ばれるプロセスを経て、さらに活性化される。 残念ながら、生殖器組織への接近が困難なため、これらの変形に寄与するシグナルを生成または伝達する成分の分子性についての理解は妨げられています。

(A) ヒトでは、精子は精細管での精子形成時に形成されるが、運動性はなく受精能もない。 精巣上体での移動・貯蔵中に成熟し、運動能力を獲得する。 このとき、精子頭部の膜が変化し、膜融合が可能になり、運動性が高くなる。 (B）線虫では、精子は両性具有と雄の両方で精子形成の過程で形成される。 雄が雌雄同体で交尾するとき、あるいは雌雄同体で卵子形成に移行するとき、精子は活性化される。 この活性化により、精子が這うための仮足が形成される。

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g001転写の不活性期間中に精子が成熟または活性化する必要性は、性生殖を行う動物の間で共通しており、非常に異なった外見の精子を持つ単純な動物でさえも同様である。 このような複雑でない生物は、ヒトでは容易に実施できない方法を用いることができるため、長い間、男性の生殖能力の研究に理想的な生物であった。 そのような生物の一つが、小型線虫のC.エレガンスである。 線虫は透明なので、雄や両性具有の精子形成や両性具有の卵子の受精を容易に観察することができる。 線虫のアメーバ状精子は、哺乳類の鞭毛推進精子とは異なり、仮足と呼ばれる付属器を使って這い回る。 しかし、哺乳類の精子と同様に、線虫の精子も運動装置である仮足を形成するための信号を受け取る必要があり、仮足は形成されるとすぐに活動を開始する（図 1B）。

1970年代と1980年代に、線虫研究者は大量の遺伝子スクリーニングを行い、変異すると造精（ spe ）や受精（ fer ）に障害をもたらす数十の遺伝子を同定した。 その一例が、リン酸化を介して細胞情報を伝達するタンパク質チロシンキナーゼをコードするspe-8遺伝子である。 他のいくつかのSPEタンパク質もSPE-8とともに機能し、SPE-8シグナル伝達経路を形成する。この経路は雌雄ともに活性であるが、雌雄同体では仮足形成と運動性に必須である … 続きを読む さらに最近の遺伝子スクリーニングにより、雄が精子と一緒に送り込むプロテアーゼが引き金となり、雄の精子を活性化する経路も同定されました。 しかし、SPE-8雌雄異体字シグナル伝達経路の理解には、まだ大きな隔たりがある。 この経路がどのように活性化されるのか、精子を運動させるために細胞内でどのようにシグナルが伝搬されるのか、などである。 6185>

未熟な線虫の精子を分離し、化合物にさらす試験管内の方法によって、驚くべき経路メンバーの候補である亜鉛が見つかりました。 細胞外の亜鉛レベルが高いか、SPE-8経路が活性化されると、細胞内の亜鉛レベルが再分配された。 これらの研究は、亜鉛がSPE-8シグナルカスケードを開始させるか、カスケード内で機能して精子を活性化している可能性を示唆するものであった。 しかし、亜鉛がシグナル伝達経路において、開始シグナルとして、あるいはシグナル伝達者として、正確にどのように作用しているのか、その分子的な詳細は不明でした

3つの研究グループが同じタンパク質、亜鉛トランスポーターに取り組んでいることに気付いたとき、話は収束しました。 KornfeldとEllisの研究室は、進化的に保存されているZIPタンパク質に似たタンパク質を探していました。ZIPタンパク質は、酵母のZrt-およびIrt-likeタンパク質亜鉛トランスポーターから名づけられました。 彼らは、これらのホモログの1つであるZIPT-7.1を欠失させると不妊症になることを見出したのである。 一方、シンソン研究室は、不妊症の突然変異体をスクリーニングすることによって、精子活性化シグナルを探していました。 彼らは、hc130と呼ばれる最初の不妊スクリーニングで発見されたのと同じ遺伝子に病変を持つ変異体を発見しました。 hc130の塩基配列を決定すると、ZIPT-7.1遺伝子に変異があることが確認されました。

研究室は協力して、亜鉛とZIPT-7.1亜鉛トランスポーターが生殖機能に必要なシグナル伝達経路にどう適合しているかを明らかにしました。 亜鉛は活性化のための外部シグナルなのか、シグナルの内部メッセンジャーなのか？ ZIPT-7.1の機能に関する1つの手がかりは、この膜貫通タンパク質が発達初期の精子細胞内に局在しており、内膜で機能している可能性を示していることである。 さらに、線虫のZIPT-7.1を哺乳類細胞で発現させると、細胞内小器官と重なる領域にも局在することが判明した。 著者らは、ZIPT-7.1が細胞内の亜鉛量を調節する機能を持つことを明らかにした。 ZIPT-7.1を持たない線虫変異体では、細胞内小器官に貯蔵される内部亜鉛のレベルが低く、線虫ZIPT-7.1を発現する哺乳類細胞は、外部から加えた標識亜鉛の存在下で亜鉛の取り込み速度が増加した。

さらに細胞内で機能していることを示すために、著者らはZIPT-7.1がSPE-8経路のどこで機能しているかを決定した。 彼らは、ZIPT-7.1が、細胞内で機能することが知られているSPE-6という経路メンバーの下流で機能し、SPE-4という別のメンバーと相互作用していることを見いだした。 このことから、ZIPT-7.1はSPE-8経路の末端に位置し、内部に貯蔵されている亜鉛の細胞質への放出を制御して、活性化シグナルを伝播させることができると考えられる。 著者らは、亜鉛が細胞外のシグナル伝達にも何らかの役割を果たしていることを否定できないが、細胞外の高レベルの亜鉛が細胞内放出を模倣し、SPE-8経路の多くを迂回する可能性があると仮定している。

この経路のモデルでは、ZIPT-7.1タンパク質は不活性な精子の亜鉛を貯蔵する内部オルガネラの膜に存在する。 精子がSPE-8経路を活性化するまだ謎のシグナルを受け取ると、ZIPT-7.1が活性化し、細胞内小器官から細胞質へと亜鉛を放出させる。 細胞質内の高濃度の亜鉛は、転写がなくても運動構造を発達させる亜鉛制御タンパク質を活性化すると推定される（図2）。 このことから、亜鉛は運動性獲得を調節する細胞内タンパク質に活性化シグナルを中継する重要な「セカンドメッセンジャー」であると考えられる。

SPE-8シグナル経路による活性化により、亜鉛はZIPT-7.1を介して細胞内貯蔵小器官から細胞質へ放出される。 細胞質内の高濃度の亜鉛は、まだ同定されていない亜鉛結合タンパク質を活性化し、運動性構造を発達させる生理的変化の引き金となる。 SPE-8, spermatogenesis defective; ZIPT-7.1, Zrt- and Irt-like Protein Transporter 7.1.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006204.g002

この論文の発見は、亜鉛が生殖機能に不可欠な定義された生物シグナリング経路のセカンドメッセンジャーとして明確な役割を持つことを示していて斬新であった。 必須ミネラルである亜鉛は、転写因子などの特定のクラスの亜鉛結合タンパク質の構造や酵素活性を安定化する役割が確立されている。 しかし、精子形成のこの段階では転写がないため、亜鉛が転写を促進する作用があるとは考えにくい。 むしろ、この研究によって、亜鉛の量がどのように制御され、細胞によって読み取られているかが明らかになった。 (1) 細胞内の亜鉛濃度は、その濃度を読み取って細胞内タンパク質の活性を変化させるため、高度に制御されている。 (2）亜鉛トランスポーターは、細胞内の亜鉛のレベルを調節するのに重要であり、外部環境からの亜鉛の輸入だけでなく、内部の貯蔵物から細胞質への亜鉛の放出も調節できることを示している。 (3)男性の生殖能力は、転写が活発でない重要な時期に精子の生理的変化を誘発する亜鉛のようなセカンドメッセンジャーに依存している

この研究は、シグナル伝達における亜鉛と亜鉛トランスポーターの役割が、ヒト精子の発達と機能において調査すべき重要な可能性を示している。 カルシウムが生殖機能に重要なシグナル伝達成分として機能することは以前から知られていたが、亜鉛が様々な場面でシグナル伝達の役割を担っているという報告も出てきている。 例えば、亜鉛スパークと呼ばれる卵母細胞から細胞外への亜鉛の放出は、受精時に卵が活性化することによって起こることが示されている。 また、細胞内の亜鉛は、心筋細胞におけるカルシウムの放出を制御することができます。 男性の生殖能力に関しては、亜鉛レベルは精巣で高く、亜鉛トランスポーターは精巣上体の様々な部位で発現しています . さらに、亜鉛の欠乏は、男性の生殖能力の低下と相関しています。 亜鉛は精巣の迷路のような尿細管に多く存在するため、男性生殖能力における亜鉛の役割はまだ解明されていない。 しかし、これらの研究は、細胞内の亜鉛が発生変換を媒介する役割を調べることが、幅広い種の多くのプロセスについて調べる重要な道であることを示している

。